Тепломассоперенос и фазовые превращения в мелкопористых капиллярных структурах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, доктор физико-математических наук Кисеев, Валерий Михайлович

• Кисеев, Валерий Михайлович
• доктор физико-математических наук
• 2001

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Кисеев, Валерий Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

1. ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС В ДВУХФАЗНЫХ СИСТЕМАХ С КАПИЛЛЯРНЫМ ТРАНСПОРТОМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ.

1.1 Принципы тепломассопереноса в тепловых трубах.

1.2. Двухфазные контуры теплопереноса с капиллярными насосами.

1.3.Рабочий цикл и условия работоспособности контурных тепловых труб.

Выводы.

2. ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС В МЕЖОПОРИСТЫХ КАПИЛЛЯРНЫХ СТРУКТУРАХ (МКС).;.

2.1 Краткие сведения по технологии изготовления МКС.

2.2.Исследование структурных свойств МКС.

2.3 . Методика исследования массопереноса в МКС.

2.4.Особенности течения газа и жидкости в МКС.

2.5.Теплоперенос в МКС.

2.6. Исследование кинетики спекания МКС и влияния межчастичных контактных зон на теплопроводность МКС.

Выводы.

3. ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС С ФАЗОВЫМИ ПРЕВРАЩЕНИЯМИ

ПРИ КАПИЛЛЯРНОМ ТРАНСПОРТЕ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В МКС.

3 .1. Физические модели фазовых превращений в испаряющем мениске.

3.2.Экспериментальное исследование испаряющего мениска. Развитие модели парообразования в интенсивно испаряющем мениске.

3.3.Экспериментальные и модельные подходы при исследовании парообразования в капиллярных структурах.

3.4. Методика и аппаратура экспериментального исследования парообразования в МКС контурных тепловых трубах.

3 .5. Сравнительное исследование разных схем организации парообразования в КС при капиллярном транспорте теплоносителя.

3.6.Распределение тепловых потоков в испарителе КТТ, оптимизация его зоны парообразования и геометрии МКС.

Выводы.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА

В МКС ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ДИНАМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ.

4.1 Аппаратура и методика исследования воздействия линейных и вибрационных ускорений на тепломассоперенос в МКС.

4.2.Результаты экспериментального исследования воздействия ускорений на тепломассоперенос в МКС.

4.3.0 соответствии состояния пара линии насыщения в двухфазных контурах с капиллярным транспортом теплоносителя.

4.4. Исследование нестационарных процессов в двухфазных контурах с капиллярным транспортом теплоносителя.

Выводы.

5. РАЗВИТИЕ МОДЕЛЬНЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ПРОЦЕССАХ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ДВУХФАЗНЫХ СИСТЕМАХ С КАПИЛЛЯРНЫМ ТРАНСПОРТОМ ТЕЛОНОСИТЕЛЯ.

5 .1 Об упрощении сопряженных задач тепломассопереноса в двухфазных контурах.

5.2.Моделирование процессов тепломассопереноса в испарителе двухфазного контура.

5 .3 . Моделирование процессов тепломассопереноса в области генерации пара испарителя двухфазного контура.

5.4. Анализ результатов моделирования и экспериментальных данных.

Выводы.

6. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕПЛОТРАНСПОРТНОЙ СПОСОБНОСТИ ДФУХФАЗНЫХ СИСТЕМ С КАПИЛЛЯРНЫМ ТРАНСПОРТОМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ.

6.1.0 модели функциональной зависимости теплотранспортной способности (ТС) от эффективного размера пор капиллярной структуры.

6.2.Сравнение экспериментальных и расчетных значений ТС контурных тепловых труб (КТТ).

6.3.Анализ анизотропных МКС для увеличения ТС КТТ.

6 4. Моделирование многослойных МКС для улучшения функциональных возможностей КТТ.

6.5 .Моделирование и экспериментальное исследование КТТ с инверсией реверсом) теплового потока.

Выводы.

7. ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗАЦИИ ДВУХФАЗНЫХ КОНТУРОВ ДЛЯ СИСТЕМ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ.

7.1 .Принципы конструирования двухфазных контуров с капиллярными насосами.

7.2.Разработка и исследование миниатюрных контурных тепловых труб для охлаждения устройств силовой электроники.

7.3.Разработка и исследование инжекторных КТТ.

7 .4.Разработка и исследование КТТ с внутренним подводом тепла (ККТТ)

7.5.Разработка и исследование контурных термосифонов.

7.6.Моделирование температурных режимов топливного элемента ядерной энергетической установки.

7.7.Разработка и исследование пульсационных тепловых труб.

Выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Тепломассоперенос и фазовые превращения в мелкопористых капиллярных структурах»

Изучение процессов тепломассопереноса и фазовых превращений, протекающих в гетерогенных средах - важная задача современной теплофизики, охватывающая широкую область приложений от наземных технологий до проблем авиационно-космической техники. Такие процессы являются центральными при решении фундаментальных проблем теплофизики и теоретической теплотехники, а также физики аэродисперсных систем.

Одной из основных проблем современной теплофизики является также проблема эффективной передачи тепловой энергии и обеспечения тепловых режимов различных систем и оборудования. Для решения этой проблемы часто используется фазовый переход жидкость-пар и связанный с этим процессом теплообмен, который занимает особое место среди физических явлений, используемых в природе и технике. Интенсивность теплообмена при кипении и конденсации определяет размеры, экономическую эффективность и надежность оборудования в важнейших отраслях промышленности.

В настоящее время повышенный интерес и широкое распространение получили оригинальные теплопередающие устройства - тепловые трубы (ТТ), в которых используется принцип испарительного охлаждения, а перенос теплоты происходит в результате циркуляции теплоносителя по замкнутому двухфазному контуру с капиллярным механизмом возврата теплоносителя в зону испарения [1-5]. Интерес к ТТ вызван как возможностями их эффективного применения в технике, так и принципами интенсификации теплообмена при фазовых переходах, реализованных в капиллярных структурах (КС) тепловых труб [6]. Причем тепловые трубы часто выступают либо, как альтернатива аналогичным системам с прокачкой теплоносителя механическими насосами, либо, как их дополнение.

Продолжается активное развитие новых экспериментальных и теоретических подходов в получении и изучении капиллярно-пористых сред, стремительно расширяется круг объектов применения и исследования капиллярных насосов для двухфазных контуров (ДФК) теплопереноса, включающий все более сложные системы терморегулирования с многообразием терморегулирующих функций [7].

При этом тенденции развития ДФК с капиллярными насосами таковы, что необходимы капиллярные насосы с большим капиллярным давлением и малым внутренним гидравлическим сопротивлением. Это в свою очередь требует разработки и исследования мелкопористых капиллярных структур (МКС), обладающих высокой проницаемостью и малым размерам пор (0,5-5 мкм). При этом возникают специфические явления, обусловленные как кинетикой формирования межчастичных контактных зон при спекании МКС, так и спецификой процессов тепло - и массопереноса и фазовых превращений, обусловленных их поровой и каркасной конфигурацией.

Важное место в проблемах тепломассопереноса и фазовых превращений в "стесненных" условиях капиллярно-пористых сред занимают поверхностные явления. Вклад процессов, происходящих на межфазных границах жидкость - твердое тело, жидкость - пар и твердое тело - пар на тепломассоперенос и фазовые превращения оказывается значительным, и этот вклад возрастает по мере уменьшения размеров пор КС. Экспериментальные исследования парообразования в КС показывают, например, что имеет место значительная интенсификация теплообмена на поверхностях с капиллярно-пористым покрытием, обусловленная стабилизирующим действием порового пространства на механизм фазового превращения. Обычно рассматривается процесс парообразования, когда разветвленная сеть открытых капиллярных каналов обеспечивает устойчивое образование паровых зародышей и значительное увеличение их числа даже при сравнительно невысоких тепловых нагрузках. При этом почти всегда полагается, что размер парового зародыша меньше размера пор КС [8-10]. Не смотря на большое число работ, посвященных процессам парообразования в КС, существуют различные представления о механизме этого процесса. Это связано с особенностями процесса парообразования на поверхности с КС, которые определяются типом КС, ее структурными и теплофизическими характеристиками, технологией изготовления и соединением с поверхностью нагрева. Лишь незначительное количество работ посвящено исследованию процессов парообразования в условиях капиллярного транспорта теплоносителя в мелкопористых капиллярных структурах (МКС), когда размер пор становится соизмерим с размером паровых зародышей [11-14].

С теоретической точки зрения проблема описания процессов тепло- и мас-сопереноса и фазовых превращений в КС в значительной мере сводится к проблеме задания граничных условий на межфазных поверхностях. Трудности теоретического исследования проблемы связаны с отсутствием информации о структуре, химическом составе поверхности, о потенциале взаимодействия молекул пара с поверхностными молекулами или атомами. Этот дефицит информации о свойствах межфазных границ частично восполняется экспериментальными данными, однако их пока недостаточно. Имеющиеся экспериментальные данные, как правило, несут сведения об интегральных свойствах КС без детализации информации о физических механизмах, обуславливающих эти свойства. Например, при исследовании каркасной теплопроводности КС ничего не говорится о состоянии межчастичных контактных зон, при исследовании парообразования в КС мало внимания уделяется межфазным границам в области испаряющего мениска и т.д. Введение этой информации в граничные условия при решении конкретных задач теп-ломассопереноса и фазовых превращений в КС позволяет достаточно полно отразить особенности этих процессов и уточнять результаты расчетов.

В последнее время МКС находят все большее применение в качестве капиллярных насосов (КН) для двухфазных систем терморегулирования и передачи тепловой энергии. Отсюда возникает уникальная возможность использовать фундаментальные представления, полученные при исследовании МКС, в решении прикладных проблем, связанных с их применением в реальных условиях.

Представляется актуальным исследование физических процессов в одном из наиболее интересных и технологически значимых объектов - двухфазных контурах с капиллярными насосами (ДФК КН). При этом малоизученными или вообще не исследованными являются воздействия на них различных внешних (ускорения - "повышенная и пониженная гравитация", вибрации) и внутренних (градиенты температуры, поверхностного натяжения, геометрической кривизны, концентрации нелетучих примесей на поверхности испаряющего мениска) динамических факторов. Воздействии этих динамических факторов часто имеет место при реальном использовании ДФК КН.

Общую направленность исследований, которым посвящена диссертационная работа, можно определить термином "тепломассоперенос и фазовые превращения в сильных капиллярных полях". Подразумевая при этом проведение физических исследований по технологии изготовления капиллярных структур со средним диаметром пор (0,5 - 15) мкм, реализующим понятие "сильных капиллярных полей", их структурных, транспортных и теплофизических свойств, а также природы, механизма и кинетики фазовых превращений в логической цепочке: одиночный испаряющий мениск, капиллярная структура и ДФК КН в целом. Проблема оптимизации двухфазных контуров с капиллярными насосами, других устройств на их основе, включая и гибридные системы терморегулирования дорогостоящих космических аппаратов (КА), тесно связана с развитием модельных представлений для выработки технических решений при проектировании, эксплуатации и прогнозирования характеристик ДФК КН. Являясь одной из основных служебных систем, система терморегулирования (СТР) во многом определяет надежность КА и его ресурс. Разработка ДФК КН для современных КА, работающих в экстремальных условиях космической среды, характеризующейся высоким вакуумом, радиационными, электромагнитными, ультрафиолетовыми излучениями, магнитными полями и метеоритным веществом, воздействием ускорений, вибраций резким перепадом температур между "солнечной" и "теневой" сторонами КА, является актуальной и сложной технической задачей. Исследования автора в техническом аспекте направлены на повышение точности поддержания температурного режима приборов и оборудования, что повышает надежность и долговечность КА.

В такой формулировке направление исследования является актуальным, достаточно самостоятельным и новым, поэтому оно положено в основу данной диссертационной работы.

В процессе исследования ставились следующие основные задачи: изучение кинетики формирования межчастичных контактов и развитие представлений для целенаправленного воздействия на каркасную проводимость, структурные и транспортные свойства КС. Исследование структурных, тепло-физических и транспортных свойств КС для ДФК КН. Разработка методов получения мелкопористых капиллярных структур для ДФК КН. разработка методов физического и математического моделирования генерации пара и процессов фазового превращения жидкость-пар в поровом пространстве КС. Экспериментальное исследование фазовых превращений жидкость-пар в одиночном испаряющем мениске, в КС с известной функцией распределения пор по размерам и в ДФК КН при воздействии различных динамических факторов. разработка экспериментальных комплексов для исследования влияния динамических факторов (ускорения, вибрации) и на этой основе получение основных закономерностей поведения двухфазных контуров теплопереноса с капиллярными насосами в переменных полях массовых сил. формулировка основных принципов анализа и оптимизации ДФК КН и на этой основе разработка методов увеличения теплотранспортной способности ДФК КН. сравнительный анализ различных схем генерации пара в капиллярных структурах двухфазных теплопередающих систем. построение расчетных моделей ДФК КН с изотропными и анизотропными капиллярными структурами, качественная верификация моделей, разработка новых двухфазных контуров с капиллярными насосами для систем терморегулирования космических аппаратов, радиоэлектронной аппаратуры, технологического оборудования, ядерных энергетических установок и др.

Поставленные задачи решались:

1) методами физического эксперимента с использованием современной теплофизики и вакуумной техники, оригинальных методик и устройств, а также элементов автоматизации измерений на основе ЭВМ;

2) оптическими, спектроскопическими и контактными методами исследования поверхности твердого тела, жидкой и газовой фазы с привлечением оптической и электронной микроскопии, масс-спектроскопии и тер-мостимулированной десорбции;

3) путем обобщения экспериментального материала, полученного автором, а также другими исследователями;

4) методами физического и математического моделирования, с последующей верификацией моделей экспериментальным данным;

5) статистическими методами обработки экспериментальных результатов с широким использованием современных пакетов прикладных программ и ЭВМ;

6) путем использования современных представлений в области кинетической теории газов, теорий тепломассопереноса и фазовых превращений в гетерогенных средах, аналитических и численных методов решения.

На защиту выносятся:

1. Методики исследования кинетики формирования межчастичных контактов при спекании МКС, методики исследования жидкостной и газовой проницаемости МКС, методики исследования фазовых превращений в одиночном мениске и МКС.

2. Концепция механизма увеличения теплотранспортной способности двухфазных теплопередающих контуров с капиллярными насосами, как альтернативных менее надежным подобным системам с механическими насосами.

3. Методы получения мелкопористых изотропных и анизотропных капиллярных структур, как уникальные инструменты для увеличения теплотранспортной способности ДФК КН.

4. Новая физическая модель интенсивного парообразования с поверхности испаряющего мениска, учитывающая термокапиллярные течения на поверхности мениска и эффект выноса и концентрации менее летучих примесей в область формирования краевого угла смачивания.

5. Математические модели и программы расчета рабочих характеристик ДФК КН.

6. Комплекс экспериментальных установок и устройств для исследования тепломассопереноса и фазовых превращений в МКС и ДФК КН.

7. Новые типы двухфазных теплопередающих контуров с капиллярной прокачкой теплоносителя.

8. Результаты практической реализации ДФК КН для решения некоторых прикладных задач обеспечения тепловых режимов устройств и оборудования, включая воздействие неблагоприятных факторов на условия работоспособности ДФК КН.

В диссертации обобщены результаты исследований, выполненных автором в период с 1973 по 2000 гг. Обосновано новое научное направление, состоящее в одновременном исследовании микроскопических физических свойств мелкопористых высокопроницаемых капиллярных структур и макроскопических свойств двухфазных контуров, в которых эти структуры реализуют динамику тепломассопереноса и фазовых превращений, и установление закономерностей между ними.

Непосредственно автору принадлежат идеи, положенные в основу комплекса экспериментальных установок, а также разработки конкретных устройств и методик исследования. Предложены методы обработки, обобщения и интерпретации экспериментальных данных. Сформулированы научные положения и выводы. Часть результатов получена совместно или обсуждалась в той или иной мере с сотрудниками, аспирантами и студентами. В коллективных публикациях автору принадлежат защищаемые в диссертации положения и выводы.

Диссертация состоит из семи глав.

Первая глава носит постановочный и обзорный характер. В ней в общем виде формулируется проблема передачи тепловой энергии с помощью тепловых труб - сверхтеплопроводящих устройств, рассмотрены тенденции увеличения их теплотранспортной способности, проведен анализ исследуемого объекта - мелкопористых капиллярных структур (МКС), сформулирована физическая концепция применения МКС в качестве капиллярных насосов для двухфазных контуров теплопереноса и условия реализации этой концепции в разработанных контурных тепловых трубах.

Во второй главе описана технология получения мелкопористых капиллярных структур (МКС), конструкции экспериментальных установок, методики и результаты исследования течения жидкостей и газов по поровому пространству МКС, исследования переноса тепла по каркасу МКС.

Третья глава посвящена изучению процессов фазовых превращений (парообразования) при капиллярном транспорте теплоносителя. Значительное внимание уделяется описанию оригинальных методик и устройств, используемых автором при исследовании механизма фазовых превращений в одиночном испаряющем мениске на межфазных границах твердое тело -жидкость, жидкость-газ. Рассмотрен вклад микроскопических примесей в формирование краевого угла смачивания и на основе этого предложена новая физическая модель парообразования в "перевернутом" мениске. Проведен сравнительный анализ эффективности различных схем парообразования в ТТ.

В четвертой главе суммированы экспериментальные данные по исследованию процессов парообразования в КТТ при воздействии различных динамических факторов, влияющих на капиллярный транспорт теплоносителя. Это, прежде всего, воздействие неблагоприятных (в направлении переноса тепла) линейных и вибрационных ускорений. Эти впервые проведенные экспериментальные исследования также позволили установить ряд факторов динамического характера, представляющих интерес для теоретического описания процессов в КТТ.

Пятая глава посвящена моделированию процессов тепломассопереноса в двухфазных теплопередающих контурах с капиллярными насосами и верификации предложенных физических и математических моделей экспериментальным данным полученным в предыдущих главах, а также экспериментальным данным других авторов. Уделено внимание наличию неконденсирующихся газов в замкнутых двухфазных системах.

В шестой главе проведен анализ максимальной теплотранспортной способности (ТС) классических и контурных тепловых труб, обсуждаются пути увеличения ТС КТТ за счет оптимизации порового пространства капиллярных структур. На основе анализа ТС аналитически и экспериментально показана возможность использования схемы КТТ для инверсии (реверса) теплового потока.

В седьмой главе рассматриваются примеры реализации систем терморегулирования для обеспечения температурных режимов некоторых устройств и технологических процессов с помощью тепловых труб.

Основная часть работы выполнялась в соответствии с планами научно-технических работ Института физики и прикладной математики при Уральском государственном университете. Часть исследований проводилась при поддержке и совместно с американскими фирмами TRW (Los Angeles) и Swales Aerospace (Washington), большую помощь в работе оказала финансовая поддержка Дж. Сороса.

Автор благодарен Майданику Ю.Ф., Долгиреву Ю.Е., Белоногову А.Г., Беляеву А.А., Погорелову Н.П., Суетину П.Е., Борисову С.Ф., Распопину А С. за помощь и плодотворное сотрудничество на различных этапах работы. Особую признательность автор выражает Герасимову Ю.Ф., благодаря которому в 1973 г. была начата эта работа, за его постоянное внимание, полезные обсуждения и всестороннюю помощь на протяжении всей работы.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Кисеев, Валерий Михайлович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Обосновано новое научное направление, состоящее в одновременном исследовании микроскопических физических свойств мелкопористых высокопроницаемых капиллярных структур и макроскопических свойств двухфазных контуров, в которых эти структуры реализуют динамику тепломассопереноса и фазовых превращений, и установление закономерностей между ними. Развиты основные представления о функциональных признаках и условиях работоспособности двухфазных контуров теплопереноса с капиллярными насосами (ДФК КН). Установлены наиболее характерные рабочие циклы таких систем и их связь с линией насыщения теплоносителя. Определены основные конструктивные схемы построения ДФК КН.

2. Развиты методы комплексного экспериментального и аналитического исследования процессов получения мелкопористых капиллярных структур (МКС) и тепломассопереноса в них. Разработаны и изготовлены экспериментальные установки, реализующие эти методы. На основе экспериментально полученных результатов по массопереносу в МКС и их аналитического обсуждения показано, что: а) - жидкостная проницаемость МКС хорошо описывается результатами расчетов по ртутным порограммам при введении коэффициента извилистости, равного 5; б) - наличие растворенного в жидкости газа приводит к не воспроизводимому по времени уменьшению коэффициента жидкостной проницаемости МКС в 5-6 раз, показана необходимость в тщательной деаэрации жидкости; в) - при течении газа (пара) в МКС реализуется переходный (течение со скольжением) от молекулярного к гидродинамическому (пуазейлевскому) режим течения, что приводит к увеличению проницаемости по газу по сравнению с жидкостной. Экспериментальные данные достаточно хорошо описываются теорией течения газов в цилиндрических капиллярах с константой скольжения, предложенной Черчиньяни.

Показано, что на процессы теплопереноса в МКС существенную роль играют межчастичные контакты. При исследовании процессов формирования межчастичных контактов при вакуумном спекании МКС установлено, что повышенное сопротивление межчастичных контактов обусловлено наличием на поверхности частиц адсорбированных слоев. Методом термостимулированной десорбции с одновременным масс-спектральным анализом продуктов десорбции получено, что физически адсорбированные слои межчастичных контактов состоят из 18 (Н20) и 44 (СОг) массы, определены их температуры десорбции. Их наличие в межчастичных контактах приводит к уменьшению теплопроводности МКС на (15-25)%. Основной же вклад в формирование слоев с повышенным тепловым сопротивлением вносят пленки оксидов, исчезающие при плавлении частиц. Таким образом, изучены условия целенаправленного воздействия на тепловую проводимость МКС (2-х - 3-х кратное изменение) при слабом изменении ее гидравлической проводимости, что весьма важно, например, для КТТ. В результате сравнения полученных экспериментальных данных об эффективной теплопроводности МКС с данными математического моделирования уточнена физическая модель пористого тела с учетом повышенного сопротивления межчастичных контактов.

3. Развиты методы исследования процессов парообразования при капиллярном транспорте теплоносителя. В модельном эксперименте по интенсивному испарению чистых жидкостей и бинарных смесей из стеклянного капилляра установлено, что, во-первых, испаряющий мениск плавно переходит в макроскопическую пленку, смачивающую стенки капилляра, во-вторых, основным режимом парообразования при встречных тепловых и массовых потоках, характерных для испарителей КТТ, является испарение с поверхности мениска. На основе этих экспериментов предложена новая модель испаряющего мениска, учитывающая термокапиллярные течения на поверхности мениска и эффект выноса и концентрации нелетучих примесей в пленку перед мениском. Установлено, что плавный переход мениска в пленку, обогащенную примесями, эквивалентен нулевому углу смачивания и в динамических условиях испаряющего мениска не зависит от материала стенок капилляра и теплоносителя, т.е. угол смачивания имеет смысл только в статических равновесных условиях.

Экспериментально доказано, что организация парообразования в широком спектре имеющихся капиллярных структур по схеме со встречными потоками тепла и массы, используемых в КТТ, более термодинамически эффективна, чем организация по классической схеме, причем эта эффективность возрастает с ростом капиллярной нагрузки. Данный факт связан со спецификой отбора и эвакуации пара из наиболее теплонапряженных слоев капиллярной структуры, прилегающих к поверхности теплоподвода, и имеет непосредственное практическое приложение к интенсификации теплообмена при фазовых превращениях.

4. Впервые экспериментально изучены особенности процессов парообразования в ДФК КН при воздействии различных динамических факторов, влияющих на капиллярный транспорт теплоносителя. Установлено, что влияние вибрационных ускорений в диапазоне частот 20 - 16000 Гц, при амплитудах вибраций до 7 мм (вибрационные ускорения до 10g) слабо сказывается на рабочие характеристики ДФК КН, хотя при неблагоприятных ускорениях (в направлении передачи тепла) в области низких частот (до 100 Гц) зафиксировано возрастание термического сопротивления ДФК КН на 15-30%. Воздействие линейных постоянных ускорений не сказывается на параметры ДФК КН только в случаях перпендикулярного действия ускорений по отношению к направлению передачи тепла. В остальных случаях при изменении величины ускорений от -6 g до +12 g классические схемы тепловых труб не приспособлены для работы в этих условиях (резкое возрастание термического сопротивления и выход из рабочих параметров). Для КТТ влияние линейных ускорений меньше и при изменении величины ускорений от -6 g до +12 g термическое сопротивление увеличивается в 2-3 раза без нарушений работы КТТ, при этом имеет место и смещение максимума коэффициента теплоотдачи испарителя в сторону меньших тепловых нагрузок. Таким образом, контурная схема тепловых труб более приспособлена к воздействию неблагоприятных ускорений и может быть рекомендована для эксплуатации в этих условиях.

Установлено также влияние внутренних динамических факторов, обусловленных обратимыми процессами газовыделения, в работающих КТТ. Экспериментально зафиксировано не соответствие линии насыщения теплоносителя между давлением и температурой на границе раздела фаз в компенсационной полости. В неработающей КТТ такое соответствие наблюдается. Это состояние реализуется в результате выделения неконденсирующегося газа в пленках испаряющих менисков и сбора его в области с минимальным давлением в контуре, т.е. в компенсационной полости.

Разработаны и созданы установки для исследования нестационарных тепловых воздействий на двухфазные контура с капиллярным транспортом теплоносителя. Показано что запуск КТТ не вызывает особых температурных пульсаций в рабочих параметрах КТТ и плавно выходит на стационарный режим работы. Выбор теплоносителя в существенной мере оказывает влияние на тепловую инерцию КТТ, при этом важную роль играет крутизна линии насыщения dP/dT|Toc теплоносителя при температуре запуска (Тос) КТТ. Чем выше этот параметр, тем меньше времена релаксации к стационарным состояниям КТТ.

Проведены исследования отклика двухфазной системы с капиллярным транспортом теплоносителя на "тепловой удар", когда тепловой импульс достаточно короткий (но больше времени тепловой инерции) и амплитуда его больше максимально возможного теплового потока передаваемого тепловой трубой. Показано, что воздействие "тепловых ударов" на КТТ не выводит систему из строя, и после воздействия этих тепловых импульсов она восстанавливает свои рабочие параметры. Таким образом, двухфазные контура с капиллярным транспортом теплоносителя достаточно устойчивы не только по отношению к малым тепловым возмущениям в системе, но и достаточно большим кратковременным тепловым возмущениям.

5. Развиты методы системного моделирования ДФК КН, предусматривающие во-первых, уточнение расчетных исследований, во-вторых, обязательную верификацию их на экспериментальных установках. Установлено что, процедура моделирования сводится к определению перепадов давления (гидродинамическая задача) на основных участках контура и перепада температур (тепловая задача) в теплонапряженных элементах (преимущественно в испарителе). Эти перепады связаны условиями работоспособности ДФК КН. Проведен анализ решений, базирующихся на описании с использованием системы дифференциальных уравнений сохранения энергии, уравнения неразрывности и уравнений Навье-Стокса и на описании с использованием модифицированного уравнения теплопроводности с псевдоконвективным членом. Установлено их хорошее соответствие между собой и имеющимися экспериментальными данными. Для инженерных расчетов рекомендован второй подход, позволяющий иметь аналитические решения удобные для анализа и оптимизации ДФК КН. На основе этого подхода проведено моделирование однофазных и двухфазных областей КТТ. Установлена возможность значительного увеличения теплотранспортной способности КТТ при правильной организации многослойной КС, когда пограничный размер пор убывает от впитывающей к испаряющей поверхности испарителя в соответствии с расчетной экспоненциальной зависимостью. Полученные экспериментальные данные хорошо вписываются в расчетные зависимости. Доказано что, заполнение компенсационной полости КТТ вторичным фитилем (более крупно пористая КС), необходимым для гидравлической связи с первичным фитилем (МКС) в условиях невесомости, должно подчиняться тем же правилам.

Установлены основные закономерности организации двухфазной зоны испарителя (зоны пароотводных каналов). Показано что, в МКС КТТ реализуются неблагоприятные условия объемного парообразования при увеличении тепловой нагрузки и отступлении фронта парообразования вглубь фитиля. Для оптимизации этой зоны необходимо уменьшать расстояние между радиальными пароотводными каналами до 50-100 мкм, что не всегда возможно по технологическим соображениям.

6. Разработана модель для гидродинамического анализа максимальной теплотранспортной способности ДФК КН в зависимости от типа и свойств капиллярной структуры, геометрии ДФК КН и внешних воздействий. Установлены критерии эффективности ДФК КН по величине внешнего гидросопротивления АРех-Для "классической" схемы - ДРех < 5 кПа, для контурной - АРех ^ (5-7) кПа. Сформулирована физическая и математическая модель оптимизации порового пространства капиллярной структуры контурных тепловых труб (КТТ). На основе предложенной модели впервые экспериментально и теоретически показано, что применение анизотропной капиллярной структуры с определенным законом изменения размеров пор от ее впитывающей до испаряющей поверхности приводит к увеличению теплотранспортной способности КТТ в 2-2,5 раза при снижении термического сопротивления. На основе такого анализа КТТ теоретически и экспериментально впервые реализована возможность инверсии (реверса) теплового потока с помощью КТТ, не смотря на присущие контурным тепловым трубам диодные свойства.

Сформулирована физическая и математическая модель локализации жидкого теплоносителя в свободном пространстве капиллярных насосов контурных тепловых труб (при их эксплуатации в условиях невесомости) за счет заполнения этого пространства вторичной капиллярной структурой. Показано, что многослойный вторичный фитиль, применяемый для этих целей, может быть компромиссом между высоким тепловым потоком и малым термическим сопротивлением КТТ.

7. Впервые разработаны, изготовлены и испытаны миниатюрные КТТ для охлаждения блоков силовой электроники в герметичном исполнении (цилиндрические испарители), и отдельных полупроводниковых диодов и транзисторов (плоские испарители) для летательных аппаратов. Проведены испытания КТТ в составе изделия при воздействии линейных и вибрационных ускорений, проведены ресурсные испытания. Для сбора тепла с большой поверхности предложено параллельное, независимое соединение КТТ.

Впервые показано использование инжекторной КТТ для создания разветвленных систем охлаждения с размещением охлаждаемых объектов на циркуляционном контуре. Показана слабая чувствительность инжекторной КТТ к линейным ускорениям.

Впервые разработана и испытана КТТ с коаксиальным испарителем и внутренним подводом тепла для поддержания температурного режима разрядной камеры излучателя. Здесь же отработаны новые технологические приемы соединения фитиля с корпусом испарителя. Проведены также испытания подобной КТТ с коаксиальным испарителем для охлаждения печей спекания и отжига постоянных магнитов.

Проведены испытания контурных схем тепловых труб при благоприятном воздействии силы тяжести (конденсатор выше испарителя). Такая ситуация реализуется часто в стационарных, земных условиях. Поскольку контурная схема ТТ позволяет осуществлять гибкую связь между испарителем и конденсатором и обладает диодными свойствами в передаче тепла, то это было использовано при разработке и испытанию двух контурного бытового холодильника. Впервые проведены испытания КТТ для обеспечения требуемых тепловых режимов тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) в ядерном реакторе (ЯЭУ) при моделировании максимальной проектной аварии.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Кисеев, Валерий Михайлович, 2001 год

1. Дан П., Рей Д. Тепловые трубы. - М.: Энергия, 1979. - 272 с.

2. Васильев JI. JI., Вааз С. J1., Киселев В.Г. и др. Низкотемпературные тепловые трубы. Минск: Наука и техника, 1976. - 136 с.

3. Воронин В.Г., Ревякин А.В., Сасин В.Я. и др. Низкотемпературные тепловые трубы для летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1976. - 200 с.

4. Ивановский М.Н., Сорокин В.П., Ягодкин И.В. Физические основы тепловых труб. М.: Атомиздат, 1978. - 256 с.

5. Faghri A. Heat pipe science and technology. Taylor & Francis, 1995. - 875 c.

6. Ковалев С.А,, Соловьев C.JI. Испарение и конденсация в тепловых трубах. -М.: Наука, 1989.-112 с.

7. Capillary pumped two-phase loops / Edited by Tung T. Lam, Ted T. Swanson, Wolfgang F. Supper // Proceedings of the CPL '98 International workshop, El Se-gundo, California USA, 1998.

8. Маньковский O.H,, Иоффе О Б., Фридгант Л.Г. и др. О механизме процесса кипения на затопленных поверхностях с капиллярно-пористым покрытием // Инж,- физ. ж. 1976. - т. 30, №2,- с. 310-316.

9. Афанасьев Б.А., Смирнов Г.Ф. Исследование теплообмена и предельных тепловых потоков при кипении в капиллярно-пористых структурах // Теплоэнергетика. 1975. - №5,- с. 65-67.

10. Васильев Л.Л., Конев С.В., Шульц П.Л. Экспериментальное исследование теплообмена при кипении жидкости в высокопроводных капиллярных структурах // Инж,- физ. ж. 1982. - т. 42, №6.- с.893-898.

11. Nakayama N., Daikoku J. Effect of pore diameters and system pressure on saturated pool nucleate boiling heat transfer from porous surfaces // Transaction of the ASME. Journal of Heat Transfer. 1982. - N2. P. 72-80.

12. Вершинин С.В., Майданик Ю.Ф. Исследование теплообмена при кипении ацетона на мелкопористой капиллярной структуре. Свердловск. 1987. 20 с. - Деп. в ВИНИТИ №Л666-В87.

13. Белоногов А.Г., Нурутдинов В.А., Кисеев В.М. Исследование теплоотдачи при парообразовании в капиллярно-пористых структурах // Инж.- физ. ж. -1989. т. 56, №1- с.133.

14. Беляев А.А. Тепло- и массоперенос в мелкопористых капиллярных структурах тепловых труб. Дис. канд. физ.- мат. наук. Свердловск. 1990. - с. 168.

15. Пиоро А.С., Пиоро И.Л. Двухфазные термосифоны и их применение в промышленности,-Киев: Нукова думка, 1988,- 131 с.

16. Cotter Т.P. Theory of heat pipes // Los Alamos Scientific Laboratory Report No. LA-3246-MS, 1965.

17. Левитан M.M., Перельман Т.Л. Основы теории и расчета тепловых труб// ЖТФ-1974. т. 14, №8.-с. 1569-1591.

18. Вааз С.Л. Тепловые трубы и их применение.(Обзоры по электронной технике). Сер. "Электроника СВЧ" ЦНИИ "Электроника"- М., вып. 2 (187), 44 с.

19. Cosgrove J.N., Ferell I.К., Carnesale A. Operating characteristics of capillary limited heat pipes // J. of Nuclear Energy 1967. - V. 21, No. 27. - p. 547-558.

20. Семена М.Г. и др. Аналитическое исследование максимальной теплопере-дающей способности тепловых труб // Известия вузов Энергетика, 1977, №5, с. 93-97.

21. Levy Е.К. Theoretical investigating of heat pipes operating at low vapor pressure // Trans. ASME J. for Industry 1968,- No. 11, p. 547- 554.3

22. Ферелл, Джонсон. Механизм теплообмена в испарительной зоне тепловой трубы. В сб. "Тепловые трубы", М., "Мир", 1972, с. 9-32.

23. Шлыков Ю.П. и др. Контактное термическое сопротивление. М. "Энергия", 1977, 328 с.

24. Ферелл, Олливитч. Теплообмен при испарении в капиллярных структурах фитиля. В сб. "Тепловые трубы", М., "Мир", 1972, с. 118-141.

25. Афанасьев Б.А. Исследование парообразования в сетчатых капиллярно-пористых структурах: Автореф. дисс. канд. тех. наук. Одесса, 1981 - 22 с.

26. Васильев Л.Л., Конев С.В., Драгун В.Л. и др. Исследование теплообмена при парообразовании на поверхности с капиллярно-пористыми покрытиями //

27. Кипение, кризисы кипения, закризисный теплообмен: Труды Первой российской национальной конференции по теплообмену. Москва, 21-25 ноября 1994.-Т.4-с. 48-53.

28. Смирнов Г.Ф. Приближенная теория теплообмена при кипении на поверхностях с капиллярно-пористой структурой/ЛГеплоэнергетика, 1977, №9, с.77-81.

29. Абхат, Себан. Кипение и испарение воды, ацетона и этилового спирта в фитилях тепловых труб // Теплопередача, 1974, серия С, №3, с. 74-82.

30. Виноградова Е.П., Смирнов Г.Ф. Режимы и закономерности теплопередачи при парообразовании в капиллярно-пористых структурах // Изв. АН СССР. -Энергетика и транспорт. 1985,- №4. - с. 128-136.

31. Мори и др. Влияние неконденсирующегося газа на процесс пленочной конденсации на вертикальной пластине в замкнутом объеме // Теплопередача, 1977, серия С, №2, с. 107.

32. Сурьянарайяна, Малчау. Пленочная конденсация на наклонных плоских поверхностях //Теплопередача, 1975, серия С, №1, с. 80-84.

33. Семена М.Г., Гершуни А.И., Зарипов В.К. Тепловые трубы с металловолок-нистыми капиллярными структурами. Киев: В ища школа, 1984. - 214 с.

34. Shimisu Akihiro, Mochisuki Masataka. Thermal performance of a heat pipe with carbon fiber wick. Res. Repots Toko Nat. Techn. Coll, 1986, No 18, 49-52.

35. Шкилев В.Д. О работе электродинамической тепловой трубы против сил тяжести//Изв. АН МССР. Сер. Физ.-тех. и мат. наук. 1978. -№1-с. 89-91.37